WYRÓWNOWARZENIE SILNIKA 

Jest to mające na celu wyeliminowanie skutków występowania cyklicznych sił i momentów bezwładności związanych z ruchem mechanizmów układu korbowego. Największe siły bezwładności występują w 2 zasadniczych miejscach zredukowanej masy: I- oś sworznia tłoka(zredukowana masa tłoka, pierścieni sworznia, olejów przestrzeni chłodzenia oraz części korbowodu zredukowanej do tego punktu). Przyspieszenie wyżej wymienionych elementów w postaci funkcji harmonicznej może być opisane 2 członami, a zatem wyróżniamy: 1-Siły bezwładności pierwszego rzędu(cosα), 2-siła bezwładności drugiego rzędu( cos2α)- ma amplitudę o λ mniejszą i jest siłą o większej częstotliwości. Siły te mają wartość zmieniającą się cyklicznie. Przenoszone są na fundament- też go odkształcają na skutek generowanych sił(drgań). Drgania przenoszone są na elementy sprężyste które maja stały współczynnik tłumienia. Drgania są nie korzystne dla obsługi i mogą one też wywoływać rezonans drgań(rys16). Pojawia się przyspieszenie do środkowej, stałe co do wartości P=ω2r. Zgodnie z prawem d’Amberta- efektem działania m0 jest siła odśrodkowa P0 nachylona pod kątem α i obracająca się wraz wykorbieniem. Można ją rozłożyć na 2 składowe pionową i poziomą, też przekazywane na kadłub. Najbardziej niekorzystne są składowe pionowe, bo powodują ugięcia, drgania skrętne, uginanie i ścinanie. Efekt działania układu korbowego to: Pp1=mp*ω2*r*cosα; Pp2=mp*ω2*r*λ*cos2α; P0=m0*ω2*r. Eliminacja sił: -usunięcie sił(niewykonalne), -wprowadzenie sił równych co do wartość, ale przeciwnie skierowanych (wyrównoważenie). Elementy konstrukcyjne wyposaża się przeciwciężary, które wytwarzają siłę P0r skierowaną przeciwnie do siły P0. Warunek: przeciw ciężar ma spełniać swoje działanie; P0=P0r to m0*=m0r*rr0.  II siła P­0 działa w płaszczyźnie przechodząca przez os cylindra i prostopadle do osi wału korbowego(w połowie wykorbienia). Masa równoważna musi też być w tej płaszczyźnie. Technicznie jest to trudne do zrealizowania. Jeżeli przyłożymy siłę do jednego z ramion wykorbienia to powstanie siła skręcająca wał. Trzeba masę podzielić na dwie części i przyłożyć do dwóch ramion(mamy układ statyczny)(rys17). Schemat układów przeciw ciężarów do całkowitego wyrównoważenia sił bezwładności pierwszego rzędu pochodzących od mas wykonujących ruch posuwisto zwrotny. Działają w jednym kierunku zmieniają tylko zwrot i wartość. Składowe pionowe równe co do wartości ale przeciwnie skierowane. Dwa dodatkowe ciężary.

SIŁY BEZWŁADNOŚCI DLA 2 CYLINDRÓW. (rys18) równoważenie sił odśrodkowych w każdym z cylindrów- zerujemy moment odśrodkowy tak aby był równy 0.

SIŁY BEZWŁADNOŚCI DLA 3 CYLINDRÓW. Podobnie jest w innych wykorbieniach. Wykorbienie co120 lub 2400. W rezultacie siły bezwładności działają w jednej płaszczyźnie, siły odśrodkowe prostopadłe do osi cylindra ich punkt odniesienia jest równy. Konstrukcyjnie silnik jest obciążony siłami w trzech wymiarach. Efekt oddziaływania przestrzennego można przedstawić jako efekt zastępczy. Siła zastępcza – jest to wypadkowa wszystkich sił. Moment zastępczy- suma przestrzenna wszystkich momentów. Suma sił bezwładności = 0 – na fundament nie działa żadna siła. Moment wypadkowy różny od zera – oddziaływanie momentów na podłoże. Siły odśrodkowe równoważy się dla każdego cylindra- przeciwciężary. Silnik 4-ro cylindrowy 4-ro suwowy. Wykorbienie 1 i 4  w płaszczyźnie gdzieα=0, 3 i 2 o 1800 przesunięte względem 1 cylindra. Problem sprowadza się do większej wartości sił bezwładności 2-rzędu,. Układ w pewnej grupie sił najczęściej  stosowany. Silnik 6-cio cylindrowy 4-ro suwowy Samoczynnie, całkowicie wyrównoważony, ale warunek: wszystkie elementy muszą mieć taką samą masę. Po uwzględnieniu tego uzyskuje się układ wyrównoważony- przeważnie silniki okrętowe. Silnik 6-cio cylindrowy 2-wu suwowy. Podobnie w tych silnikach, jednak sytuacja jest gorsza. W pełni jest samoczynnie wyrównoważony 12 cylindrowy silnik. Inne nie maja momentów wyrównoważających.

DRGANIA SKRĘTNE WAŁU KORBOWEGO SILNIKA . Drgania występują przy zmianie obciążeń w czasie. Przy występowaniu zmiennych obciążeń pojawiają się zmienne odkształcenia. Każde ciało sprężyste poddane obciążeniom(okresowo zmiennym) o danej wartości ulega okresowym wychyleniom wokół położenia spoczynkowego. Drgania w największym stopniu przenoszą się na elementy sprężyste które mają słaby współczynnik tłumienia. Rezonans drgań powstaje wówczas, gdy funkcja drgań wymuszonych pokryje się z funkcją drgań własnych. Drgania własne jest to cecha naturalna każdego elementu . jeżeli wymuszenie(moment, siła) będzie zmieniało się dokładnie z funkcją drgań własnych wówczas pojawi się rezonans. Po przekroczeniu wytrzymałości doraźnej ,może nastąpić skręcenie, rozerwanie itp. Uszkodzenie elementu jest więc efektem przekroczenia wytrzymałości doraźnej przez narastające naprężenia.

W silniku występują miedzy innymi obciążenia zginające, tnące, skręcające o charakterze zmiennym. Wymuszenia związane są z charakterem pracy silnika. Z jego elementów należy wyróżnić wał korbowy, zrównoważonymi drganiami. W jego przypadku istniej e największe realne zagrożenie wystąpienia rezonansu gdyż moment skręcający obciążający wał korbowy ulega zmianie. Częstotliwości drgań wymuszonych z drganiami własnymi mogą się pokryć. W wyniku działania momentu skręcającego czopy wału ulegają skręceniu.

DRGANIA SKRĘTNE WŁASNE. (RYS19) jeżeli do H przyłoży się Ms to w wyniku tego wałek odkształci się o kąt α.. H- jest masowy biegunowy moment bezwładności, Ms- przyłożony moment skręcający,  φ=(Ms*l)/(G*J0), G- moduł sprężystości postaciowej, I- moment bezwładności przekroju pręta, l- długość skręcanego pręta. 

Po zwolnieniu momentu, wałek obróci się do położenia zerowego, a następnie wychyli się o kąt -j, potem z powrotem do +j.

¨ Cechą charakterystyczną tych drgań jest częstotliwość.

Jest ona wyrażona liczbą cykli drgań na jednostkę czasu (sekundę).

¨Jeżeli w układzie przyłożymy moment zmieniający się z n0 to pojawia się rezonans -j rośnie i wałek skręca się. Wałek na skutek rosnących naprężeń urwie się w miejscu utwierdzenia, gdzie kąt skręcenia jest równy zeru. Miejsce utwierdzenia jest to tzw węzeł drgań skrętnych układu.

¨Założony układ skrętny. (RYS1) Dla tego układu zwolnionego z momentu skręcającego częstotliwość drgań, własnych jest wielkością stałą i wyraża się wzorem :

Wynika ona z wartości H1, H2, G, l, J0. ¨Układy 2 masowe nie są charakterystyczne dla silników. Na odcinku wału głównego i dalej występują elementy masowe działające różnie na zachowanie się całego podzespołu. Jeśli układ obciążony momentem skręcającym będzie zawierał 3 masy to układ ten może drgać wg 2 wariantów. (RYS 2). 1) Drgania 1 postaci z 1 węzłem drgań. 2) Drgania 2 postaci z 2 węzłami drgań. Drgania te mają wspólną częstotliwość większą od drgań 1 postaci.. Jak rośnie liczba elementów masowych na wspólnym wałku to rośnie liczba postaci drgań własnych równa zawsze: liczba mas- 1. Np. dla 4 mas- 3 postaci drgań własnych.

¨Elementy tworzące mechanizm korbowy mają określone masy które dają masowy biegunowy moment bezwładności. (RYS 3) Mamy tutaj układ 8 masowy dla 6 cylindrowego silnika. Częstotliwość drgań 1 postaci mają najmniejszą wartość.

Układ zastępczy pokazany na rys umożliwia wyznaczenie wartości częstości drgań 1 postaci z dokładnością do ±10 %. Metody obliczeniowe nie są dokładne dlatego stosuje się pomiar tych wielkości. Typowy układ napędowy jest 9 masowy, gdyż za kołem zamachowym jest śruba. Częstotliwości te nie zależą od pracy układu. Wymuszenia obciążenia wynikające z momentu obrotowego wpływającego na ten układ zmieniają się na drodze 1 cyklu obiegu cieplnego. (RYS 4) Efektem zmieniających obciążeń są zmieniające się odkształcenia, co z kolei jest powodem drgań. Mają one n0 związane z n0ruchu obrotowego silnika np. dla 2-suwowego n0 2x mniejsza od prędkości obr. Suma nieskończenie wielu zmian cyklicznych jest zastępowana przez nieskończenie wiele wrażeń harmonicznych. Np. Szereg Fouriera dla funkcji momentu obrotowego silnika:

Gdzie: kn - rząd harmonicznej występujący w szeregu określa ilość cykli przypadających na 1 obrót wału korbowego czyli na pełny kąt. Rząd harmonicznej określa częstotliwość zmiany.

i-liczba cylindrów; t- współczynnik pracy (t=1 dla 2 suw; t=2 dla 4 suw)

Znaczenie harmonicznej jest jeszcze ważne gdyż ich oddziaływanie występuje w funkcjonowaniu danego elementu. Realizują się różnie tj. w tym samym elemencie. Amplitudą można znaleźć metodą Fouriera. Od 10-12 rzędów harmonicznej wystarcza do opisu. Większa ilość pozwala na dokładniejszy opis przebiegu. 

¨W silnikach wielocylindrowych funkcja momentu zmienia się w sposób złożony. (RYS 5) Dla silnika 12 cylindrowego rząd 1 harmonicznej nn=6 tzn. rząd 1 harmonicznej realizuje 6 przebiegów na drodze 1 obrotu wału korbowego. Wynika z tego że częstotliwość wymuszeń silnika wielocylindrowego jest większa. Wymuszenia ­Þ odkształcenia ­Þczęstotliwość drgań ­. Częstotliwość drgań wymuszonych: nW=k*nS. Wraz ze wzrostem rzędu harmonicznej maleje jego amplituda.

Rezonans. Zjawisko rezonansu wymuszonego powstanie gdy dowolna z częstotliwości drgań skrętnych będzie= 1 z częstotliwości drgań własnych. W wyniku częstotliwości rezonansowej odkształcenia rosną do nieskończoności. Wykres naprężeń. (RYS 6) Elementy silnika nie są elementami doskonale sprężystymi- mają zdolność tłumienia. Wraz ze wzrostem sztywności rośnie współczynnik tłumienia. W czasie pracy silnika następuje zamiana energii drgań w energię cieplną w wyniku czego wał korbowy nagrzewa się. (RYS 7 a, b, c) a)Przebieg amplitud drgań własnych wału z tłumikiem wypełnionym olejem o różnej lepkości. b) Kryterium dopuszczalności drgań rezonansowych. C) Kryterium określonego typu działania.  ¨Możliwości zaradcze na drodze konstrukcyjnej: odpowiedni dobór kolejności zapłonów; odpowiedni dobór parametrów silnika; stosowanie lepszych materiałów (bardziej odpornych na drgania); ukształtowanie wału korbowego o możliwie największej częstości drgań własnych tak aby rezonanse rzędów głównych  wypadły poza zakresem eksploatacyjnym. Wymóg ten spełnia wał sztywny (małe długości, duże f) o jak najmniejszych masach wirujących i oscylacyjnych. Wymagania te są jednak częściowo przeciwstawne: zwiększenie sztywności prowadzi do wzrostu mas obrotowych.

Tarciowe tłumiki drgań skrętnych- zmniejszające amplitudy drgań rezonansowych wszystkich rzędów. (RYS 8) Jest dość dużo konstrukcji tego tłumika. Najbardziej rozpowszechnione są tłumiki lepkościowe, olejowe. Tłumiki te pochłaniają energię drgań występujących podczas rezonansu. Skuteczność ich działania zależy od masy bezwładnika oraz rodzaju złącza tarciowego. Bezwładnika będący głównym elementem typowego tłumika jest połączony podatnie ze swobodnym końcem wału korbowego czyli w miejscu największych wychyleń skrętnych. Przestrzeń pomiędzy bezwładnikiem a obudową wypełniona jest odpowiednim olejem o dość dużej lepkości, co pozwala na wytworzenie dużej siły tarcia. Wymiary tłumika oraz rodzaj oleju są określone przez producenta. Podczas ruchu wału korbowego ze stałą chwilową prędkością obudowa i bezwładnik obracają się z jednakową prędkością= prędkości wału korbowego. W okresach drgań skrętnych wału korbowego tylko bezwładnik dzięki swej dużej bezwładności zachowuje stałą chwilową prędkość obrotową zaś obudowa obracając się z wałem wykonuje dodatkowo ruch oscylacyjny. Wówczas dzięki więzi podatnej jaką tworzy olej zawarty w przestrzeni pomiędzy obudową a bezwładnikiem, pojawiają się siły tarcia. Siły te powstałe przy różnicy prędkości przeciwdziałają drganiom wału korbowego, jednocześnie zmniejszając naprężenia. Praca tarcia zamieniona jest na ciepło. 

Charakterystyki silnika. Są to zależności jednych wskaźników pracy silnika od drugich. Funkcyjne zależności poszczególnych parametrów przedstawione są graficznie. Do parametrów podstawowych czyli też najbardziej rozpowszechnionych zalicza się: moc użyteczną, moment obrotowy, sprawności, prędkość, jednostkowe zużycie paliwa. Wraz ze zmianą warunków w jakich eksploatowany jest silnik wartość wskaźników ulega zmianie. Można wyróżnić 2 rodzaje odbiorników energii i wynikające z ich pracy 2 rodzaje charakterystyki: 1 agregat prądotwórcze (charakterystyki obciążeniowe) 2 śruba.

¨AD1 Na statkach stosowany jest prąd przemienny trójfazowy o częstotliwości 50 Hz. Prędkości obrotowe zależą od liczby par biegunów. Wielkością narzuconą powodującą zmiany jest obciążenie. Obciążenie prądnicy może zmieniać się od wartości biegu jałowego aż do wartości mocy nominalnej. Przy zmianie tego wskaźnika oraz przy stałej prędkości obrotowej silnika obserwuje się jak zmieniają się pozostałe parametry, takie jak: jednostkowe zużycie paliwa, godzinowe, sprawność net (RYS 9) Znajomość tej charakterystyki pozwala na takie sterowanie pracą silnika aby koszty pracy były jak najmniejsze. Bardzo często obok mocy użytecznej zaznaczana jest wartość średniego ciśnienia efektywnego pe. Wynika to ze wzoru w którym moc efektywna zależy tylko od pe gdyż pozostałe parametry są stałe przy sporządzaniu tej charakterystyki:

¨AD 2 Współpraca silnika ze śrubą. Warunki pracy śruby narzucają odpowiednie warunki pracy silnikowi. Śrubę eksploatuje się w taki sposób aby móc zmieniać prędkość statku. Prace tego układu charakteryzują się zmiennością prędkości obrotowej. Z tego wynika że charakterystyka śrubowa należy do grupy charakterystyk prędkościowych i przedstawia zależność wybranych parametrów p[racy silnika okrętowego od prędkości obrotowej podczas zmian obciążenia silnika wg równania śruby napędowej: P=k*n3. P- moc na stożku śruby; k stała śruby (zależy od stosunku skoku śruby do średnicy) n prędkość obrotowa śruby- przy bezpośrednim napędzie śruby okrętowej po. Obr. Śruby, ns jest = pr. Obr. Silnika n. (RYS 10) Odpowiednie charakterystyki śruby decydują o relacjach pr. Obr. Śruby a mocą, która jest przetwarzana. Interesuje nas jaką moc jaką moc silnik może uzyskać przy zmianie prędkości obrotowej. Rzeczywiste przebiegi charakterystyk śrubowych podane w protokole prób mogą różnić się od charakterystyk wykonanych na hamowni. Rzeczywiste zapotrzebowanie mocy przez śrubę pe=knx gdzie x może być równe np. 2,8.

CHARAKTERYSTYKA UNIWERSALNA (RYS 11) Przy spadku obrotów następuje upływ granicy dymienia. Charakterystyka dymienia odczytuje się z niej ilość cząstek sadzy (nie spalonego węgla) w spalinach. Nie można przekroczyć granicy dymienia. Skala Bosha (1-10) nie może przekroczyć 4 jest to czynnik ograniczający. ¨Współpraca silnika z turbosprężarką. Prędkość obrotowa zmienia ilość powietrza jaką sprężarka musi tłoczyć. Silnik narzuca sprężarce pewną jej wydajność.

¨Pompowanie turbosprężarki jest to niekorzystny przypadek pracy w którym pojawiają się silne drgania turbosprężarki oraz intensywny hałas w wyniku niestatecznego przepływu powietrza. Najczęściej występuje w dolnym przedziale prędkości obrotowej. Pole pracy silnika jest ograniczone charakterystykami oraz osią n (prędkości obrotowej. Regulatory n utrzymują stała prędkość obrotową która zmienia się wraz z mocą. Charakterystyka śruby musi się wpisać w pole pracy silnika. (RYS 12)

¨Układ napędowy ze śrubą nastawną. Układ ze śrubą nastawną jest bardziej elastyczny. Dla (s/D)=0;;; h=hmin to powoduje że charakterystyka staje się bardziej płaska a jednocześnie dla minimalnej wartości skoku wykładnik maleje np. do 2,8 (w warunkach typowych z=3) Maleje także stała śruby. Silniki współpracujące ze śrubą nastawną są bardziej trwałe i mają dłuższą żywotność ze względu na mniejsze operowanie prędkością obrotową samego silnika. Wada śruba nastawna jest droga jest  bardziej wrażliwa na zmienne warunki pracy. Aby eksploatacja była łatwiejsza wykorzystuje się tylko przedział pracy w zakresie 10-20% prędkości nominalnych. BSFC jednostkowe zużycie paliwa. Spec air flour- wskaźnik zużycia powietrza, Valve seat temp gniazda zaworowego. (RYS 13)

¨Ponieważ jest to parabola III stopnia charakterystyka jest różnie odbierana. Aby wyrównać ten przebieg wykorzystuje się przekształcenie Pe=h*n3 logarytmujemy (podstawa jest nieokreślona jednak nieco >od1) logaPe=log ah+3logan;;; logaPe=y;;;logah=a;;;logan=x;;; Teraz można przedstawić parabolę jako prostą y=a+3x. Zmiana wartości y jest liniowo zależna os x. (y=logaPe;;; x=logan) Na osiach nie ma wartości lecz ich logarytmiczne odpowiedniki (RYS 14)

¨ To samo dla średnie ciśnienie użyteczne: (RYS15).